JP4782897B1

JP4782897B1 - Air conditioning

Info

Publication number: JP4782897B1
Application number: JP2011086983A
Authority: JP
Inventors: 隆彌渡邊
Original assignee: 隆彌渡邊
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: JP2014029892A

Abstract

【課題】
建築物や移動体車両の壁や窓の内側面にトムソン素子を配置する。
【解決手段】
建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、壁や窓の内側面に透明性金属として銅超微粒子とｎ型半導体として酸化スズまたは酸化インジウムからなる超微粒子を堆積させる。金属＋ｎ型半導体＋金属からなるトムソン素子をポリマーフィルム内に少なくとも1個以上配置し、トムソン素子の電圧印加方向による電流の流れの方向で熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにする冷暖房装置である。
【効果】
以上のとおり、本発明の冷暖房装置は、短時間でかつ製造コストも劇的に低減できるので、その工業的価値は極めて高い。
【選択図】図１【Task】
Thomson elements are placed on the walls and windows of buildings and mobile vehicles.
[Solution]
In an air-conditioning system using heat generated by radiation or radiation generated on a wall or window of a building or a mobile vehicle, the inner surface of the wall or window is made of copper ultrafine particles as a transparent metal and tin oxide or indium oxide as an n-type semiconductor. Deposit ultrafine particles. Arrange at least one Thomson element consisting of metal + n-type semiconductor + metal in the polymer film to develop heat absorption or heat generation due to the difference in thermoelectric power (Seebeck coefficient) in the direction of current flow depending on the voltage application direction of the Thomson element. It is the air conditioner which makes it.
【effect】
As described above, the air conditioning apparatus of the present invention has a very high industrial value because it can dramatically reduce the manufacturing cost in a short time.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散堆積させて積層させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のトムソン素子に電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムに関する。 The present invention relates to a cooling / heating device using heat generated by radiation or radiation generated on a wall or window of a building or a mobile vehicle, and a transparent metal and a transparent n-type on the inner surface of the wall or window of the building or mobile vehicle. Current was passed through a sandwich structure Thomson element consisting of metal + n-type semiconductor + metal laminated with ultrafine particles made of semiconductor dispersed and deposited, and heat absorption or heat generation due to differences in thermoelectric power (Seebeck coefficient) was developed. It relates to an air conditioning system.

トムソン素子の特性の中でもっとも重要な冷却量は、一般的に次式で表される。
冷却量＝トムソン効果−ジュール熱−熱伝導損失
ここで、Ｑ：冷却量［Ｗ］、α：トムソン素子のゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］、Ｔ_c低温側表面温度［Ｋ］、Ｉ：電流値［Ａ］、Ｒ：内部抵抗[Ω]、Ｋ：トムソン素子の熱通過率［Ｗ／ｍ²Ｋ］、Ｓ：トムソン素子の表面積［ｍ²］、ΔＴ：トムソン素子両面の温度差［Ｋ］
したがって、トムソン素子の能力を効率良く取り出すためには、ジュール熱の発生を極力抑えるような使い方をすることと、トムソン素子両面の温度差を極力少なくすることである。 The most important cooling amount among the characteristics of the Thomson element is generally expressed by the following equation.
Cooling amount = Thomson effect-Joule heat-Heat conduction loss
Here, Q: cooling amount [W], α: Seebeck coefficient [V / K] of Thomson element, _Tc low temperature side surface temperature [K], I: current value [A], R: internal resistance [Ω], K: heat transmission rate of Thomson element [W / m ² K], S: surface area of Thomson element [m ² ], ΔT: temperature difference [K] on both sides of Thomson element
Therefore, in order to efficiently take out the capability of the Thomson element, it is necessary to use it so as to suppress the generation of Joule heat as much as possible and to reduce the temperature difference between both sides of the Thomson element as much as possible.

酸化スズ、酸化インジウムは、ｎ型半導体で高い導電性を持っており、かつ可視光領域の吸収が少ないため、透明帯電防止膜や透明電極として用いられている。導電性を改善するため、酸化スズにはアンチモンを、酸化インジウムにはスズをドープする。前者をＡＴＯ（アンチモン・ティン・オキサイド）、後者をＩＴＯ（インジウム・ティン・オキサイド）という。透明導電膜は、一般に、物理的成膜法により作られるが、超微粒子の場合は、高分子バインダーに分散し、塗布することにより成膜する。その場合、ＡＴＯは、１０^５〜１０^１０Ω／□、ＩＴＯは、１０^２〜１０^５Ω／□の表面抵抗の導電膜を得ることができる。超微粒子は、粒径が１０ｎｍ〜１ｎｍで、超微粒子分散系の性質である活発なブラウン運動による拡散沈着が生じる。この膜の導電性は物理的成膜法に比べて劣るが、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光透過率が高く透明性には優れている。 Tin oxide and indium oxide are n-type semiconductors, have high conductivity, and have little absorption in the visible light region, so that they are used as transparent antistatic films and transparent electrodes. In order to improve conductivity, tin oxide is doped with antimony and indium oxide is doped with tin. The former is called ATO (antimony tin oxide) and the latter is called ITO (indium tin oxide). The transparent conductive film is generally produced by a physical film formation method, but in the case of ultrafine particles, the film is formed by dispersing and coating in a polymer binder. In that case, a conductive film having a surface resistance of 10 ⁵ to 10 ¹⁰ Ω / □ can be obtained from ATO, and 10 ² to 10 ⁵ Ω / □ can be obtained from ITO. The ultrafine particles have a particle diameter of 10 nm to 1 nm, and diffusion deposition occurs due to active Brownian motion, which is a property of the ultrafine particle dispersion. Although the conductivity of this film is inferior to that of physical film formation, it has high visible light transmittance at a wavelength of 380 nm to 780 nm and excellent transparency.

熱エネルギーは、熱の移動に伴う３つの移動形態がある。１つめは「熱伝導」である。熱エネルギーは微視的に見ると、物質を構成する個々の分子の運動である。この運動が次々に隣の分子に伝搬されていくのが、熱伝導による伝熱である。熱伝導による熱の伝わりやすさは、物質固有の値の熱伝導率で表される。２つめは「対流」である。固体内の分子はその位置を変えることができないため、「熱伝導」により徐々に熱エネルギーが伝搬されるが、流体内の分子は自由に動き回ることができる。このため、熱エネルギーを持った分子が移動することによって、熱を伝えることができる。対流による固体面と流体の間の熱交換を対流熱伝達と呼ぶ。３つめは「熱放射」（輻射）である。これは熱伝導や対流と大きく異なり、電磁波による熱エネルギーの放出である。絶対零度の物体以外、何等かの熱エネルギーを熱放射している。 Thermal energy has three forms of movement accompanying the movement of heat. The first is “heat conduction”. When viewed microscopically, thermal energy is the movement of the individual molecules that make up a substance. It is heat transfer by heat conduction that this movement is propagated to the neighboring molecules one after another. The ease with which heat is transferred by heat conduction is expressed by the thermal conductivity of the value specific to the substance. The second is “convection”. Since the molecules in the solid cannot change their positions, the thermal energy is gradually propagated by “heat conduction”, but the molecules in the fluid can move around freely. For this reason, heat can be transferred by the movement of molecules with thermal energy. Heat exchange between the solid surface and the fluid by convection is called convective heat transfer. The third is “thermal radiation” (radiation). This is very different from heat conduction and convection, and is the release of thermal energy by electromagnetic waves. Except for objects of absolute zero, some heat energy is radiated.

電流を流すと熱を吸収する。そんな便利な冷却部品がトムソン素子（電子冷却素子）である。金属とｎ型半導体の接合について考えると、接合前は金属とｎ型半導体のフェルミ準位は異なるが、接合による電子の移動（拡散）によりフェルミ準位が一致する。この電子移動により金属とｎ型半導体からなる系の電子のエネルギー分布が均一になる。次にｎ型半導体の両側を金属により接合し、エネルギー帯に外部から電圧印加により金属とｎ型半導体からなる回路に電流を流すと、接合部の一部に吸熱が、そして他方には発熱が生じる。金属のマイナス電極から半導体の伝導帯に電子が移動する際、フェルミ準位とｎ型半導体の伝導帯のエネルギーレベルの差に相当するエネルギーを吸収するため、吸熱が生じる。反対にｎ型半導体の伝導帯にある電子がプラス電極の金属の伝導帯に移る場合は発熱する。なおｐ型半導体は、キャリアが正孔であるため、ｎ型半導体に比べ応答速度は遅い。
具体例として、非特許文献２のペルチェモジュールの特性例を図２に示す。
このトムソン素子を用いた電子冷却システムは、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房システムに活用できる。
また本発明は、２０１１年３月１１日に東北地方大震災で被災し、逼迫したこれからの日本の電力環境を根源から救うシステムと成りうる。 When current is passed, it absorbs heat. Such a convenient cooling component is a Thomson element (electronic cooling element). Considering the junction between a metal and an n-type semiconductor, the Fermi level of the metal and the n-type semiconductor is different before the junction, but the Fermi level matches due to the movement (diffusion) of electrons through the junction. Due to this electron transfer, the energy distribution of the system consisting of metal and n-type semiconductor becomes uniform. Next, when both sides of the n-type semiconductor are joined by metal and current is passed through the circuit made of metal and n-type semiconductor by applying voltage from the outside to the energy band, heat is absorbed in a part of the joint and heat is generated in the other. Arise. When electrons move from the metal negative electrode to the semiconductor conduction band, heat is absorbed because energy corresponding to the difference in energy level between the Fermi level and the conduction band of the n-type semiconductor is absorbed. Conversely, when electrons in the conduction band of the n-type semiconductor move to the metal conduction band of the positive electrode, heat is generated. Note that the response speed of a p-type semiconductor is slower than that of an n-type semiconductor because carriers are holes.
As a specific example, a characteristic example of the Peltier module of Non-Patent Document 2 is shown in FIG.
The electronic cooling system using the Thomson element can be used for an air conditioning system that uses heat generated by radiation or radiation generated on a wall or window of a building or a mobile vehicle.
In addition, the present invention can be a system that saves the power environment of Japan in the future, which was damaged by the Great Tohoku Earthquake on March 11, 2011, from the root.

特開平８−２９２３０９号公報JP-A-8-292309 特許第４３３８９５６号公報Japanese Patent No. 4338956

三浦良一「トムソン効果を利用した電氣接點の温度分布」北海道大學工學部彙報１９５１−１１−１５Ryoichi Miura “Temperature distribution of electric contact using Thomson effect” Vocational Report, Hokkaido University 1951-11-15 国峰尚樹「電子機器の熱流体解析入門」日刊工業新聞社２００９年９月３０日Naoki Kunimine “Introduction to Thermal Fluid Analysis of Electronic Equipment” Nikkan Kogyo Shimbun, September 30, 2009

建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散堆積させて積層させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のトムソン素子に電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムに関する。 In an air-conditioning system that uses heat generated by radiation or radiation generated on a wall or window of a building or mobile vehicle, an inner surface of the wall or window of the building or mobile vehicle is made of a transparent metal and a transparent n-type semiconductor. The present invention relates to a cooling and heating system in which current is passed through a sandwich structure Thomson element composed of metal + n-type semiconductor + metal in which fine particles are dispersed and deposited to generate heat absorption or heat generation due to a difference in thermoelectric power (Seebeck coefficient).

本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散させ、透明性金属と透明性ｎ型半導体含有薄膜のコート液とし、超微粒子を積層状に堆積させた薄膜とする金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造の薄膜からなるトムソン素子を構成し、このトムソン素子に電流を流し、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させたものである。本発明は、夏場は建築物や移動体車両の吸熱現象を利用して冷房用とし、冬場は発熱現象を利用した暖房システムを構築する。 The air-conditioning apparatus of the present invention disperses ultrafine particles of a transparent metal and a transparent n-type semiconductor on the inner surface of a wall or window of a building or a mobile vehicle, A Thomson device consisting of a thin film of metal + n-type semiconductor + metal, which is a thin film in which ultrafine particles are deposited in layers, is used as a coating solution, and a current is passed through this Thomson device to produce thermoelectric power (Seebeck coefficient). Endothermic or exothermic due to the difference. The present invention constructs a heating system that uses the heat absorption phenomenon of a building or a mobile vehicle for cooling in summer and uses a heat generation phenomenon in winter.

以上説明したように本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を積層状に分散堆積させ接合し、この接合させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のトムソン素子をＤＣ電流の流れる方向で、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムである。本発明の冷暖房装置は、短時間でかつ製造コストも劇的に低減できるので、その工業的価値は極めて高い。 As described above, the air-conditioning apparatus of the present invention is an air-conditioning apparatus that uses heat generated by radiation or radiation generated on a wall or window of a building or a mobile vehicle. Ultra-fine particles made of transparent metal and transparent n-type semiconductor are dispersed and deposited in a laminated form, bonded, and the Thomson element having a sandwich structure of the joined metal + n-type semiconductor + metal in the direction of DC current flow. This is an air-conditioning system that generates heat or heat due to a difference in Seebeck coefficient. Since the air conditioning apparatus of the present invention can dramatically reduce the manufacturing cost in a short time, its industrial value is extremely high.

本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を積層状に堆積させ接合させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のトムソン素子にＤＣ電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにしたトムソン素子を利用するもので、大面積に形成するプリンテッド・エレクトロニクスにより、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に印刷した発熱・吸熱セルで、夏場は吸熱現象を利用する冷房用、冬場は発熱現象を利用した暖房システムを構築できる。 The cooling / heating apparatus of the present invention is made of metal + n-type semiconductor + metal obtained by depositing and joining ultrafine particles made of a transparent metal and a transparent n-type semiconductor on the inner surface of a wall or window of a building or a mobile vehicle. By using a Thomson element that causes heat absorption or heat generation due to a difference in thermoelectric power (Seebeck coefficient) by passing a DC current through the sandwich structure Thomson element, printed electronics formed in a large area, Heat generation and heat absorption cells are printed on the walls and windows of buildings and mobile vehicles. Heating systems that use the heat absorption phenomenon can be built in the summer and heating systems that use the heat generation phenomenon in the winter.

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の冷暖房装置の断面図である。１０１は、建築物や移動体車両の窓である。１０２と１０６は、ペルチェ素子を挟み込んでいるラミネートである。トムソン素子は、トムソン効果を発生させる銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５でｎ型半導体１０４を挟んだサンドイッチ構造を形成している。銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５は、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光線で透過率が９０％以上あることから、光に対してほぼ透明とみなせる。この銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５は、シート抵抗値が０．２Ω／□以下である。ｎ型半導体１０４の酸化インジウムは、ｎ型半導体で高い導電性を持っており、かつ可視光領域の吸収も少ない。導電性を改善するため、酸化インジウムにはスズをドープし、ＩＴＯ（インジウム・ティン・オキサイド）としている。この超微粒子は、高分子バインダーに分散、塗布することにより成膜している。ＩＴＯは、１０^２〜１０^５Ω／□の表面抵抗の導電膜である。膜の熱電能は−１３０[μＶ/Ｋ]である。この膜の導電性は物理的成膜法に比べて劣るが、可視光透過率が高く透明性に優れ、比較的低コストで大面積に塗布できる。１０７は、ＤＣ電源であり、トムソン素子を構成する銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５の間に電圧を印加してトムソン効果を起こさせる。図１の回路接続では、トムソン素子は、吸熱１０８と発熱１０９を発現する。建築物や移動体車両の窓の内側面に配置されたトムソン素子のＤＣ電源１０７を逆にすれば、発熱１０８と吸熱１０９となる。室外１１０の温度が６０℃の場合、室内の温度が２０℃の温度差にするには、トムソン素子にジュール熱損失＋熱伝導損失を含めて、５Ｗの熱量を供給できれば良い。このときのトムソン素子の長さは、約１ｍになる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an air conditioning apparatus according to the present invention. 101 is a window of a building or a mobile vehicle. Reference numerals 102 and 106 denote laminates sandwiching a Peltier element. The Thomson element has a sandwich structure in which an n-type semiconductor 104 is sandwiched between copper ultrafine particles 103 and copper ultrafine particles 105 that generate the Thomson effect. The copper ultrafine particles 103 and the copper ultrafine particles 105 are visible light having a wavelength of 380 nm to 780 nm and have a transmittance of 90% or more, and thus can be regarded as almost transparent to light. The copper ultrafine particles 103 and the copper ultrafine particles 105 have a sheet resistance value of 0.2Ω / □ or less. Indium oxide of the n-type semiconductor 104 is an n-type semiconductor and has high conductivity, and has little absorption in the visible light region. In order to improve conductivity, indium oxide is doped with tin to form ITO (indium tin oxide). The ultrafine particles are formed by dispersing and coating in a polymer binder. ITO is a conductive film having a surface resistance of 10 ² to 10 ⁵ Ω / □. The thermoelectric power of the film is −130 [μV / K]. Although the conductivity of this film is inferior to that of physical film formation, it has high visible light transmittance and excellent transparency, and can be applied over a large area at a relatively low cost. Reference numeral 107 denotes a DC power source, which applies a voltage between the copper ultrafine particles 103 and the copper ultrafine particles 105 constituting the Thomson element to cause the Thomson effect. In the circuit connection of FIG. 1, the Thomson element develops heat absorption 108 and heat generation 109. If the Thomson element DC power supply 107 disposed on the inner surface of the window of the building or mobile vehicle is reversed, heat generation 108 and heat absorption 109 are obtained. When the temperature of the outdoor 110 is 60 ° C., in order to make the temperature difference of the indoor temperature 20 ° C., it is only necessary to supply 5 T of heat including Joule heat loss + heat conduction loss to the Thomson element. The length of the Thomson element at this time is about 1 m.

本発明の冷暖房装置である。It is the air conditioning apparatus of this invention. 従来のペルチェモジュールの特性例である。It is an example of the characteristic of the conventional Peltier module.

１０１建築物及び移動体車両の窓
１０２ラミネート膜
１０３銅
１０４ＩＴＯまたはＡＴＯ
１０５銅
１０６ラミネート膜
１０７直流電源
１０８吸熱
１０９発熱
１１０室外 101 Windows of buildings and mobile vehicles
102 Laminate film
103 copper
104 ITO or ATO
105 copper
106 Laminate film
107 DC power supply
108 endotherm
109 fever
110 outdoor

Claims

In a cooling and heating apparatus using heat generated by radiation or radiation generated on a wall or window of a building or a mobile vehicle, copper ultrafine particles as a transparent metal and tin oxide as an n-type semiconductor on the inner surface of the wall or window of the structure depositing ultrafine particles composed of indium oxide, and a laminate structure Thomson element made of metal + n-type semiconductor + metal by circuit wiring Thomson elements each arranged at least one more in the polymer film, the voltage application of the Thomson device An air-conditioning apparatus characterized by causing heat absorption or heat generation due to a difference in thermoelectric power (Seebeck coefficient) in the direction of current flow depending on the direction.